在二氧化碳（CO2）排放到大气之前将其捕获，是减缓温室气体排放的关键途径。虽然碳捕获技术已经发展了数十年，但其大规模应用仍然缓慢，主要原因在于现有技术普遍成本高、能耗大、效率有限。

以目前工业上最常用的水胺洗涤法为例，该方法需要将大量液体加热到 100°C 以上，才能释放已捕获的 CO2 并使吸收剂再生。这种高能耗直接转化为运营成本，严重制约了技术在更大规模上的推广。

相比之下，基于碳材料的固体吸附剂被视为一种有潜力的替代方案。这类固体材料价格相对低廉，具有较大的比表面积，能够有效吸附 CO2，并且在较低温度下即可通过加热解吸，尤其是在材料表面引入含氮官能团时，性能往往更为突出。

然而，传统合成方法通常只能随机、混合地引入这些含氮官能团，难以精确控制它们在碳骨架上的相对位置。因此，很难明确是哪一种具体的氮基团排列方式真正带来了优异的碳捕获性能，以及其背后的机理。

在这一背景下，日本千叶大学工学研究科的山田康裕副教授与理学研究科的大场智纪副教授联合带领团队，针对这一问题开展了系统研究。

新型“维西亚石”碳材料的提出

研究团队报道了一类新型碳材料——“维西亚石”（Vesia stone），并对其进行了全面表征。该材料的核心特点，是在碳骨架表面构筑了精确可控的相邻氮基团结构。

相关成果发表在期刊《Carbon》上，论文合著者还包括千叶大学的近藤航太。

团队共合成了三种不同类型的维西亚石材料，每一种都含有不同形式的相邻氮原子配对结构。为了在材料中引入相邻的伯胺基（–NH2），研究人员首先对一种名为冠烯的化合物进行高温碳化处理，随后进行溴化反应，最后通入氨气进行处理。

通过这一三步合成路线，研究人员以 76% 的选择性成功获得了相邻 –NH2 基团，也就是说，大部分被引入的氮原子都形成了预期的相邻伯胺结构。

另外两种维西亚石材料则采用不同的前驱体制备：

• 一种材料中引入了相邻的吡咯氮，其选择性达到 82%；
• 另一种材料中则形成了相邻的吡啶氮结构，选择性为 60%。

性能测试与解吸特性

为了评估实际应用潜力，研究人员将三种维西亚石材料分别负载在活性炭纤维上，制备成可直接用于吸附实验的样品。随后，他们利用核磁共振光谱（NMR）、X 射线光电子能谱（XPS）以及计算模拟等多种手段，确认这些氮基团确实以相邻方式排列，而非随机分布。

实验结果显示，不同相邻氮配置的材料在 CO2 吸附与解吸性能上存在明显差异：

• 含有相邻 –NH2 基团的维西亚石，以及含相邻吡咯氮的维西亚石，在 CO2 吸附量方面均明显优于未改性的活性炭纤维；
• 含相邻吡啶氮的材料在吸附性能上则几乎没有明显提升。

更具意义的是解吸过程的表现，即材料在加热条件下释放已捕获 CO2、实现再生的能力。

研究团队指出，在引入相邻 –NH2 基团的碳材料中，大部分吸附的 CO2 能够在低于 60°C 的温度下完成解吸。结合工业过程中常见的低品位废热，这一特性有望构建出能耗更低、成本更具优势的 CO2 捕获工艺，大幅降低整体运营费用。

相比之下，含相邻吡咯氮的材料需要在更高温度下才能释放 CO2，但由于吡咯氮本身具有更好的化学稳定性，这类材料在长期循环使用中的耐久性可能更为出色。

未来应用与设计思路

总体来看，该研究证明了相邻氮基团结构可以通过合成策略被有意、可重复地构筑在碳材料表面，为下一代碳捕获材料提供了一种可设计、可调控的结构框架。

山田康裕表示，他们的初衷是利用团队近年来开发的结构可控碳材料，为未来社会的减排需求提供解决方案。本研究为合成“设计型”氮掺杂碳材料提供了验证路径，使研究者能够在分子层面精确调控材料结构，这对于开发新一代高效、低成本的 CO2 捕获技术至关重要。

研究人员还指出，维西亚石材料由于其表面化学可精细调控的特点，潜在应用并不限于 CO2 捕获。在金属离子吸附、催化反应等领域，这类材料也有望展现出独特优势。